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“天眼”开眼揭开世界级工程神秘面纱

发布时间:2020-05-23 03:47:20 已有: 人阅读

  9月25日,国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县落成启用。中共中央总书记、国家主席、主席习近平在贺信中说:“它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”记者第一时间深入现场,零距离揭开这项世界级工程的神秘面纱——

  “欲穷千里目,更上一层楼。”这是出自唐代王之涣《登鹳雀楼》中的诗句。随着“中国天眼”正式落成启用,“千里目”一词被赋予了新的时代意蕴。

  清晨时分,从贵州省惠水县驱车向南,沿银百高速转县道再穿过一段狭窄山口,“长”在平塘县克度镇金科村大窝凼“坑”里的“中国天眼”——世界上最大的500米口径球面射电望远镜(英文简称:FAST)便赫然出现在眼前。

  天坑,这种鬼斧神工的自然奇观,在黔南比比皆是。“尽管‘长’在天坑里的‘中国天眼’‘身段’很低,它扎根在一片喀斯特洼地中,但‘目光’很远,射向百亿光年外的宇宙太空。”中国科学院国家天文台FAST工程办公室主任张蜀新告诉记者,“FAST工程项目2007年正式立项,2011年开工建设,承载着中国射电天文领跑世界的光荣与梦想。”

  踏着蜿蜒的栈道登上FAST观景台,旋转式上升的悬空挑台与500米口径球面射电望远镜相呼应。放眼望去,大窝凼里FAST的壮观景象尽收眼底——总面积达25万平方米的反射面看起来像一口超级“大锅”,网格爬满了“锅”底,向上延伸“咬住”环梁,反射面面板一圈一圈铺满索网的空隙,构成一只仰望苍穹的“巨眼”。

  来到FAST工程现场,记者用脚步去丈量FAST的“眼界”——“锅盖”上总长度约1.6公里的圈梁有如一道环形大桥,将上万根钢索牢牢固定住,而形似宇宙飞船的馈源舱则由6根拉索连接6个馈源支撑塔悬吊于反射面面板之上。走在足够两人并排同行的钢桥上,脚下是鸡蛋粗细橡胶表面的索绳,一种强烈的震撼感和自豪感油然而生。

  “‘中国天眼’为何会选址大窝凼?”记者将这个脑海里突然冒出的问题抛给了FAST工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤,从1994年FAST的选址开始,他见证了“中国天眼”建设的全部过程。

  “新一代大射电望远镜的工程名称经历了LT、KARST、FAST/SKA、FAST几个阶段,每个阶段都有不同的台址要求,在技术要求和对台址的要求也愈发清晰的同时,对洼地的尺度和形态要求也更具体了。”朱博勤说,在对24个洼地的地形高程数字化、地形典型剖面分析和开挖土方量拟合等具体工作的基础上,对大窝凼、打多、尚家冲还开发了FAST工程土方量开挖拟合地理信息系统,在确定球半径、开口半径、球冠底部高程、球中心的平面坐标后即可计算需开挖的土方量。最终的结论,大窝凼是建设500米口径球面射电望远镜最好的场址。

  古罗马的西塞罗曾有句名言:“如果一个人能对着天上的事物沉思,那么在他面对人间时就会更加高尚。”今天,“中国天眼”的落成启用,见证了中国科技人员默默奋斗,化笃实守正之志为仰望苍穹之功。

  让我们把目光再次聚焦到这500米口径的“锅”,的确是口名副其实的“变形大锅”。“我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比,主动反射面系统是我们的创新之一。”国家天文台FAST工程总工艺师王启明说,FAST工程的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,从而极大地提升了观测效率。而主动反射面让“中国天眼”拥有更广的观测范围,能覆盖40度的天顶角。

  记者注意到,每块反射面面板上都有像筛子一样的密孔。据国家天文台工程师翟学兵介绍,这样的创新设计,一是为了减少风负载,二是提高透光率,让天线面下能长草,避免水土流失。

  在反射面面板上面,还有不少黑色的物体。已在FAST工程工作7年的国家天文台副研究员钱磊说,这些类似液压泵状的物体叫促动器,促动器最大可以伸缩1米。也就是说,根据观测需要,促动器可以将“大锅”左右前后移动。

  ——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍;

  ——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动,还可将自身各项状态信息上报给控制系统,满足适时跟踪、换源等运动要求;

  ——提出大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计,将馈源支撑结构系统自重降至30吨,既降低造价,又提高稳定性……

  来到“大锅”底部。只见在大“锅盖”的中间,有一个12边形的物体,被6根大跨度柔索牵引悬在高空中。

  “它的名字叫馈源舱,里面装置有馈源,也叫做超宽带接收机,是FAST接收和回传信号的最核心部件,整个射电望远镜的反射面所接收到的全部宇宙信号,都靠它来收集。”FAST工程测控系统总工程师朱丽春说。

  其实,FAST也并非“百毒不侵”。它的观测原理是通过反射面来接收宇宙中由天体物质的能量所发射出来的电磁波,从而进行分析。FAST的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰,因此,需要保护台址周边宁静的电波环境。所以,FAST项目正式落成启用后,其方圆5公里将被划为“静默区”。这意味着,可以发射无线电信号的电子设备都将被禁止使用,工作人员要与外界联系,只能使用座机。

  其实,不管是科学领域里的研究实践,还是科幻小说中的异想天开,在探索未知宇宙的道路上,人类一刻也没有停下前行的脚步。

  打开宇宙奥秘的工具便是望远镜。从最原始的目视观测到现在巨大的光学天文望远镜和射电天线阵,经历了上千年的演进变迁。“如果有人在月球上打手机,我们也是可以听到的。”张蜀新形象地比喻FAST的灵敏度。从理论上来看,FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近于宇宙的边缘。

  “跟其他射电望远镜一样,‘中国天眼’最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星。前者是研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”国家天文台副台长、FAST工程常务副经理郑晓年说。

  “针对老百姓普遍关心的‘中国天眼’能否用于寻找地外文明,答案是肯定的。”王启明表示,它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高,它能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

  “继今年7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后,FAST工程已经进行了2个多月的系统调试,并于9月25日正式落成使用。但要实现所有功能参数最优化,它还要在将来3到5年的试观测中不断调试完善。”谈到FAST的发展前景时,张蜀新这样告诉记者。

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